A la izquierda, una imagen de microscopía de fuerza atómica muestra una membrana de grafeno nanoporosa después de una prueba de explosión a 100 bares. La imagen muestra que las micromembranas fallidas (las áreas negras oscuras) están alineadas con arrugas en el grafeno. A la derecha, dos imágenes de microscopía electrónica de barrido con zoom de membranas de grafeno muestran el antes (arriba) y el después de una prueba de rotura a una diferencia de presión de 30 bares. Las imágenes ilustran que la falla de la membrana está asociada con defectos intrínsecos a lo largo de las arrugas. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts
Una sola hoja de grafeno que comprende una red átomo-delgada de carbono, puede parecer bastante frágil. Pero los ingenieros del MIT han descubierto que el material ultrafino es excepcionalmente resistente, permaneciendo intacto bajo presiones aplicadas de al menos 100 bares. Eso es equivalente a aproximadamente 20 veces la presión producida por un grifo de cocina típico.
La clave para soportar presiones tan altas, los investigadores encontraron, está emparejando grafeno con un sustrato de soporte subyacente delgado que está lleno de pequeños agujeros, o poros. Cuanto más pequeños son los poros del sustrato, cuanto más resistente es el grafeno bajo alta presión.
Rohit Karnik, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, dice los resultados del equipo, informó hoy en la revista Nano letras sirven como guía para diseñar membranas a base de grafeno, particularmente para aplicaciones como la desalinización, en el que las membranas de filtración deben soportar flujos de alta presión para eliminar eficientemente la sal del agua de mar.
"Estamos demostrando aquí que el grafeno tiene el potencial de ampliar los límites de las separaciones de membranas de alta presión, "Dice Karnik." Si se pudieran desarrollar membranas basadas en grafeno para realizar desalinización a alta presión, entonces abre muchas posibilidades interesantes para la desalinización energéticamente eficiente a altas salinidades ".
Los coautores de Karnik son el autor principal y postdoctorado del MIT Luda Wang, ex estudiante de pregrado Christopher Williams, ex estudiante de posgrado Michael Boutilier, y el postdoctorado Piran Kidambi.
Estrés hídrico
Las membranas existentes en la actualidad desalinizan el agua mediante ósmosis inversa, un proceso mediante el cual se aplica presión a un lado de una membrana que contiene agua salada, para empujar agua pura a través de la membrana mientras se evita que la sal y otras moléculas se filtren.
Muchas membranas comerciales desalinizan el agua bajo presiones aplicadas de aproximadamente 50 a 80 bares, por encima del cual tienden a compactarse o sufrir algún otro tipo de rendimiento. Si las membranas pudieran soportar presiones más altas, de 100 bares o más, permitirían una desalinización más eficaz del agua de mar al recuperar más agua dulce. Las membranas de alta presión también pueden purificar agua extremadamente salada, como la salmuera sobrante de la desalinización que generalmente está demasiado concentrada para que las membranas empujen el agua pura.
"Está bastante claro que el estrés en las fuentes de agua no desaparecerá pronto, y la desalinización constituye una fuente importante de agua dulce, "Dice Karnik." La ósmosis inversa es uno de los métodos más eficientes de desalinización en términos de energía. Si las membranas pudieran operar a presiones más altas, esto permitiría una mayor recuperación de agua con una alta eficiencia energética ".
Subiendo la presión
Karnik y sus colegas establecieron experimentos para ver hasta dónde podían impulsar la tolerancia a la presión del grafeno. Simulaciones anteriores han predicho que el grafeno, colocado sobre soportes porosos, puede permanecer intacto a alta presión. Sin embargo, ninguna evidencia experimental directa ha apoyado estas predicciones hasta ahora.
Los investigadores cultivaron láminas de grafeno mediante una técnica llamada deposición química de vapor. luego colocó capas individuales de grafeno en láminas delgadas de policarbonato poroso. Cada hoja fue diseñada con poros de un tamaño particular, que van desde 30 nanómetros hasta 3 micrones de diámetro.
Para medir la robustez del grafeno, Los investigadores se concentraron en lo que denominaron "micromembranas":las áreas de grafeno que estaban suspendidas sobre los poros del sustrato subyacente. similar to fine meshwire lying over Swiss cheese holes.
The team placed the graphene-polycarbonate membranes in the middle of a chamber, into the top half of which they pumped argon gas, using a pressure regulator to control the gas' pressure and flow rate. The researchers also measured the gas flow rate in the bottom half of the chamber, reasoning that any increase in the bottom half's flow rate would indicate that parts of the graphene membrane had failed, or "burst, " from the pressure created in the top half of the chamber.
They found that graphene, placed over pores that were 200 nanometers wide or smaller, withstood pressures of 100 bars—nearly twice that of pressures commonly encountered in desalination. As the size of the underlying pores decreased, the researchers observed an increase in the number of micromembranes that remained intact. Karnik says the this pore size is essential to determining graphene's sturdiness.
"Graphene is like a suspension bridge, and the applied pressure is like people standing on that bridge, " Karnik explains. "If five people can stand on a short bridge, that weight, or pressure, is OK. But if the bridge, made with the same rope, is suspended over a larger distance, it experiences more stress, because a greater number of people are standing on it."
Porous design
"We show graphene can withstand high pressure, " says lead author Luda Wang. "The other part that remains to be shown on large scale is, can it desalinate?"
En otras palabras, can graphene tolerate high pressures while selectively filtering out water from seawater? As a first step toward answering this question, the group fabricated nanoporous graphene to serve as a very simple graphene filter. The researchers used a technique they had previously developed to etch nanometer-sized pores in sheets of graphene. Then they exposed these sheets to increasing pressures.
In general, they found that wrinkles in the graphene had a lot to do with whether micromembranes burst or not, regardless of the pressure applied. Parts of the porous graphene that lay along wrinkles failed or burst, even at pressures as low as 30 bars, while those that were unwrinkled remained intact at pressures up to 100 bars. Y otra vez, the smaller the underlying substrate's pores, the more likely micromembranes in the porous graphene were to survive, even in wrinkled regions.
"As a whole, this study tells us single-layer graphene has the potential of withstanding extremely high pressures, and that 100 bars is not the limit—it's comfortable in a sense, as long as the pore sizes on which graphene sits are small enough, " Karnik says. "Our study provides guidelines on how to design graphene membranes and supports for different applications and ranges of pressures."
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
